簡化峰度計算檢測信號干擾

或統(tǒng)計中的第四中心矩，通常用于估計信號（或數(shù)據(jù)）的統(tǒng)計分布的形狀。它被廣泛用于檢測非正態(tài)性 在數(shù)字通信系統(tǒng)、無源微波輻射測量、時間序列分析、圖像處理和射電天文學(xué)中使用的通信接收器接收的信號中，僅舉幾例。它還可用于檢測某些調(diào)制方案中的能量和功率，以及測量通信系統(tǒng)的系統(tǒng)間干擾。在大多數(shù)情況下，峰度主要用于檢測是否存在強烈的人為射頻干擾，這些干擾會污染分布并使其不正常。

或統(tǒng)計中的第四中心矩，通常用于估計信號（或數(shù)據(jù)）的統(tǒng)計分布的形狀。它被廣泛用于檢測非正態(tài)性 在數(shù)字通信系統(tǒng)、無源微波輻射測量、時間序列分析、圖像處理和射電天文學(xué)中使用的通信接收器接收的信號中，僅舉幾例。它還可用于檢測某些調(diào)制方案中的能量和功率，以及測量通信系統(tǒng)的系統(tǒng)間干擾。在大多數(shù)情況下，峰度主要用于檢測是否存在強烈的人為射頻干擾，這些干擾會污染分布并使其不正常。峰態(tài)計算如公式 1 所示。

在哪里：

K 是峰度值
X 是輸入數(shù)據(jù)
是計算中考慮的 N 個樣本的平均值
代表平均值

在正態(tài)（高斯）分布的情況下，峰度為 3。由于我們正在計算有限數(shù)量樣本的峰度，因此估計值會有一些由估計誤差定義的不確定性，因此對于正態(tài)分布，該值將是 3 ± d（估計誤差）。因此，對于被視為正態(tài)分布的給定輸入數(shù)據(jù)集，Kurtosis 的值必須位于這些限制范圍內(nèi)。

在 FPGA 或其他 DSP 平臺上計算峰度是計算密集型的，主要是因為它需要除法運算。本設(shè)計思想完全避免了除法，使用兩個乘法器和其他模塊來判斷輸入數(shù)據(jù)是否通過峰態(tài)測試。這種方法利用了這樣一個事實，即為了檢查分布的正態(tài)性，只需要確定峰度值是否在定義的范圍內(nèi)。

計算峰態(tài)的傳統(tǒng)方法涉及除法，如公式 2 所示。

重寫公式 2 以避免除法需要兩個乘法器，

如公式 3 所示。兩種情況都需要比較器。

消除除法運算可顯著節(jié)省 FPGA 資源。在 8 位輸入的情況下，必須對大于 16 位的被除數(shù)和除數(shù)進(jìn)行除法。這是因為計算需要多次平方和累加運算，每都會導(dǎo)致位增長。除法的消除也使得單周期吞吐量的實現(xiàn)相對簡單。這些特性使該技術(shù)易于集成到實時信號處理系統(tǒng)中，特別是對于面積和時序受限的設(shè)計。公式 3 描述的設(shè)計框圖如圖1所示。

圖 1  設(shè)計框圖

如果窗口大小發(fā)生變化，可以通過更改 K 和 d 的預(yù)期值來擴展此想法以發(fā)現(xiàn)正態(tài)分布以外的分布異常。

通過提供 8 位純高斯信號、具有脈沖干擾的高斯信號和正弦信號的數(shù)字樣本，該設(shè)計在 Xilinx FPGA 上進(jìn)行了測試。該設(shè)計是使用 Xilinx System Generator 創(chuàng)建的，使用 Virtex-5 FPGA 上大約 2% 的硬件資源來處理窗口大小為 1024 個樣本的 8 位數(shù)據(jù)。該設(shè)計已經(jīng)過高達(dá) 250 MHz 時鐘頻率的測試。使用除法器的設(shè)計將需要大約 8-10% 的 FPGA，并且會增加峰度計算的延遲。

 乘法器塊用作固定點，每個輸入一個是常數(shù)（估計誤差）。在乘法器塊中添加的延遲由z -3 參數(shù)表示，表示三個時鐘周期，添加該延遲是為了滿足時序要求。乘數(shù)之后是一組比較器，用于檢查峰度是否在規(guī)定的限制范圍內(nèi)。比較輸出進(jìn)行“與”運算以獲得終輸出。輸出值“1”表示輸入分布是高斯分布，“0”表示其他情況。

盡管該設(shè)計在基于 FPGA 的實時系統(tǒng)中作為檢測器進(jìn)行了測試，用于去除因干擾而損壞的樣本，但它對于實施基于軟件的峰度測試也很有效。

峰態(tài)計算在數(shù)字信號處理和數(shù)字通信領(lǐng)域的應(yīng)用有：

去除無源微波輻射計高靈敏度通信接收機接收數(shù)據(jù)中的射頻干擾。用于衛(wèi)星有效載荷以消除脈沖干擾和調(diào)制 來自接收信號的干擾。

減輕射頻干擾以提高射電望遠(yuǎn)鏡接收器的靈敏度。它有助于消除由于電力線火花、汽車、通信發(fā)射機等引起的時域和頻域脈沖干擾。

檢測和去除由于時域和譜域信號中的脈沖干擾引起的非正態(tài)性。

查找數(shù)字通信接收器中接收信號的統(tǒng)計分布。這有助于在存在干擾的情況下測試接收器性能。

基于開關(guān)鍵控的調(diào)制中的能量和功率檢測，對某些超寬帶系統(tǒng)很有用。

系統(tǒng)間干擾的測量。